[摘要] 本文通過對1∶500 無人機(jī)航測法成圖過程中誤差產(chǎn)生的來源進(jìn)行分析，研究提高成圖精度的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)建立1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖技術(shù)路線和工藝流程，并給出實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中的具體工程應(yīng)用案例。
[關(guān)鍵詞] 事后差分GPS;引閃器;構(gòu)架航線;像點(diǎn)位移;曝光延遲
引言
1∶500 地形圖測繪全野外成圖工作量大，工期較長，成本較高。長期以來，為了減少工作量、縮短工期、降低成本，業(yè)內(nèi)一直嘗試采用航測法成圖，并做了大量研究和嘗試，但精度一直不理想。近些年無人機(jī)航攝因?yàn)槭褂梅奖?，?shù)據(jù)獲取成本低、速度快，在1∶1000、1∶2000 等比例尺的地形圖測繪、正射影像圖生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在1∶500 航測法地形圖測繪中，精度仍然不能完全達(dá)到規(guī)范要求。
本文通過對1∶500 無人機(jī)航測法成圖過程中誤差產(chǎn)生的來源進(jìn)行分析，研究提高航測法成圖精度的關(guān)鍵技術(shù)，選用速度慢、振動(dòng)小、姿態(tài)好的電動(dòng)差分無人機(jī)作為航攝平臺(tái)，通過航線優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立1∶500無人機(jī)航測法高精度成圖技術(shù)路線和工藝流程。
1∶500 航測法成圖誤差來源
(1) 像片的地面分辨率和影像質(zhì)量
在傳統(tǒng)無人機(jī)航測法成圖過程中，像片控制測量誤差、空中三角測量誤差、立體像對定向誤差、立體采集過程中的位置判定誤差等，會(huì)在作業(yè)過程中不斷傳遞并積累，影響成圖的最終精度。
不難發(fā)現(xiàn)，所有環(huán)節(jié)誤差的產(chǎn)生都與像片的分辨率和影像質(zhì)量有關(guān)。分辨率越高、影像質(zhì)量越好，判讀就越準(zhǔn)確，誤差也就越小，所以要提高成圖精度必須首先提高像片的地面分辨率和影像質(zhì)量。
(2) 鏡頭畸變
無人機(jī)航攝采用的相機(jī)一般為非量測型全畫幅相機(jī)，鏡頭畸變大，尤其是邊緣部分。盡管可以根據(jù)相機(jī)畸變參數(shù)對像片進(jìn)行畸變糾正，但糾正過程中會(huì)產(chǎn)生糾正誤差，且越往邊緣，糾正誤差越大。所以為了提高精度，應(yīng)加大像片重疊度，盡可能使用像片中心部分的影像。
(3) 像片外方位元素
一般的無人機(jī)沒有配置高精度慣導(dǎo)裝置，僅采用普通GPS 進(jìn)行定位導(dǎo)航，所以在相機(jī)曝光同時(shí)記錄的位置數(shù)據(jù)誤差很大，需要后期完成大量的像片控制測量后，才能進(jìn)行空中三角測量。為了減少像片控制測量工作量及后繼工序的誤差累積，應(yīng)盡可能提高曝光瞬間像片的外方位元素精度。
根據(jù)誤差來源分析，要提高成圖精度，有必要采用一些關(guān)鍵技術(shù)手段和方法，以增強(qiáng)影像質(zhì)量、提高影像地面分辨率、減小鏡頭畸變影響、提高像片外方位元素精度。
(1) 事后差分GPS
事后差分GPS 系統(tǒng)包括基站GPS、移動(dòng)站GPS 和事后差分解算軟件?；綠PS 架設(shè)在已經(jīng)測定精確位置的點(diǎn)位上進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)觀測。移動(dòng)站GPS 搭載在無人機(jī)上，其天線中心位置與相機(jī)中心位置經(jīng)過量測標(biāo)定。移動(dòng)站在飛行過程中連續(xù)觀測，并完整記錄相機(jī)曝光瞬間給出的曝光時(shí)間戳信號。航攝完成后，事后差分解算軟件根據(jù)基站精確位置數(shù)據(jù)、基站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)、移動(dòng)站連續(xù)觀測及曝光時(shí)間戳數(shù)據(jù)進(jìn)行事后差分解算，獲得每張像片的高精度位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
(2) 相機(jī)曝光與移動(dòng)站GPS
記錄時(shí)間戳高度同步相機(jī)曝光的真實(shí)時(shí)間與移動(dòng)站GPS 記錄的時(shí)間戳總會(huì)有些誤差，需要采用一定的技術(shù)手段最大限度減小這個(gè)差值，盡可能實(shí)現(xiàn)相機(jī)曝光時(shí)間與移動(dòng)站GPS 記錄的曝光時(shí)間戳同步。
(3) 增強(qiáng)像片影像質(zhì)量
像片影像質(zhì)量直接影響影像判讀準(zhǔn)確度，對1∶500 測圖尤為重要。所以需要選用成像質(zhì)量較好的相機(jī)，選擇空氣潔凈、光照充足的時(shí)間段，優(yōu)化相機(jī)參數(shù)后進(jìn)行航攝，以獲得影像質(zhì)量較好的像片。
(4) 適度提高影像地面分辨率
影像分辨率越高，在航測法成圖的各個(gè)環(huán)節(jié)中對影像的判讀精度就會(huì)越高，但是航攝效率會(huì)下降。根據(jù)《數(shù)字航空攝影規(guī)范 第一部分：框幅式數(shù)字航空攝影》，1∶500 航測法成圖要求航攝地面分辨率小于0.08m，在兼顧航攝效率的同時(shí)為了提高成圖精度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定地面分辨率為0.04～0.05m。
(5) 減小像點(diǎn)位移
像點(diǎn)位移會(huì)降低影像解析能力，影響判讀精度。規(guī)范規(guī)定像點(diǎn)位移一般不應(yīng)大于1 個(gè)像素，最大不應(yīng)大于1.5 個(gè)像素。由像點(diǎn)位移公式δ=v×t/GSD 可知，要減小像點(diǎn)位移就要降低飛行速度，縮短曝光時(shí)間。所以需要在確保影像質(zhì)量的情況下將曝光時(shí)間縮到最短。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，像點(diǎn)位移小于1/3 個(gè)像素時(shí)可保證影像解析能力。
(6) 提高像片重疊度
提高像片航向重疊度和旁向重疊度，有利于減少對像片邊緣影像的利用，最大限度降低像片畸變糾正過程中的影像糾正誤差。規(guī)范規(guī)定航攝重疊度一般應(yīng)為航向60%～65%，旁向20%～30%。為了提高成圖精度，可加大重疊度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，航向重疊度取70%～75%，旁向重疊取60%～65%可顯著提高空中三角測量平差精度。
(7) 增加構(gòu)架航線
構(gòu)架航線與正常航線垂直布設(shè)，起高程控制點(diǎn)作用，有利于減少像片控制點(diǎn)量測數(shù)量，增強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)模型之間連續(xù)性，提高空中三角測量平差精度。構(gòu)架航線結(jié)合事后差分解算提供的像片高精度POS 數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)稀少像片控制點(diǎn)甚至無像片控制點(diǎn)完成空中三角測量。
1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖試驗(yàn)
4.1 試驗(yàn)流程及飛行區(qū)域選擇
本試驗(yàn)過程包括飛行區(qū)域選擇、航攝設(shè)計(jì)及相機(jī)檢校、航攝作業(yè)、事后差分解算、空中三角測量、檢查點(diǎn)立體量測、檢查點(diǎn)野外量測、精度評定等步驟，具體試驗(yàn)流程如圖1。
選擇的試驗(yàn)區(qū)域位于四川省簡陽市，面積約3km2，整體地形為丘陵，高差約80m。區(qū)域內(nèi)有居民地、廠房、道路、平整地塊、水系、植被等地物，對于本次試驗(yàn)具有典型的代表意義。
圖1 試驗(yàn)流程
4.2 航攝設(shè)計(jì)及相機(jī)檢校
(1) 航攝飛行平臺(tái)的選擇
航攝飛行平臺(tái)應(yīng)裝備高精度差分GPS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)曝光時(shí)間戳的精確記錄;采用電力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)慢速、穩(wěn)定飛行。CW-10 電動(dòng)復(fù)合翼垂直起降無人機(jī)自帶高精度差分GPS、引閃器，采用大容量鋰電驅(qū)動(dòng)，飛行振動(dòng)小，巡航速度20m/s，在曝光時(shí)間不長于1/1600s 時(shí)，可以保證像點(diǎn)位移在1/3 像素以內(nèi)，是本試驗(yàn)較為理想的飛行平臺(tái)。
(2) 相機(jī)選擇及參數(shù)標(biāo)定
相機(jī)選用3600 萬像素全畫幅Sony ILCE-7R 機(jī)身，像元尺寸4.88u，搭配成像質(zhì)量較好的蔡司35mm 定焦鏡頭。相機(jī)的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)經(jīng)精確標(biāo)定。
(3) 航線規(guī)劃
設(shè)計(jì)地面分辨率為0.04m，航向重疊度70%，旁向重疊度60%，構(gòu)架航線垂直于主航線，位于測區(qū)內(nèi)離主航線兩端頭4 條基線長度的位置，航高比主航線高50m。規(guī)劃航線如圖2，東西方向?yàn)橹骱骄€，南北方向?yàn)闃?gòu)架航線。
圖2 規(guī)劃航線
4.3 無人機(jī)航攝作業(yè)
選擇合適天氣，測定基站GPS 坐標(biāo)，完成無人機(jī)航攝作業(yè)，完整下載航攝像片數(shù)據(jù)、基站GPS 數(shù)據(jù)、移動(dòng)站GPS 數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)完整性及可用性。
4.4 事后差分解算及空中三角測量
(1) 事后差分解算
利用事后差分解算軟件對基站坐標(biāo)數(shù)據(jù)、基站GPS 數(shù)據(jù)、移動(dòng)站GPS 數(shù)據(jù)、機(jī)載POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，得出精確的影像POS 數(shù)據(jù)，平面坐標(biāo)系為CGCS2000，高程系為橢球高，也可以加上高程異常，使用正常高。
(2) 空中三角測量
選擇GodWork 軟件作為空中三角測量工具。整個(gè)空三過程包括：原始數(shù)據(jù)載入、自動(dòng)相對定向、自動(dòng)絕對定向、平差和輸出結(jié)果。這個(gè)過程只需要少量的人工干預(yù)。
4.5 精度檢測
(1) 檢查點(diǎn)立體量測
將空三結(jié)果導(dǎo)入到全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，在立體上量測檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)。
(2) 檢查點(diǎn)野外量測
采用天寶RTK 到野外實(shí)地測量檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)。
(3) 精度對比
以檢查點(diǎn)野外量測為基準(zhǔn)，立體量測相對野外量測的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計(jì)算。
式中：
m1——檢查點(diǎn)中誤差，單位為米(m);
Δ——檢查點(diǎn)野外實(shí)測值與立體觀測值的誤差，單位為米(m);
n ——參與評定精度的檢查點(diǎn)數(shù)(每幅圖20～50個(gè))。
隨機(jī)抽出兩幅圖進(jìn)行精度檢測。每幅圖檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)為33 個(gè)，總計(jì)66 個(gè)，并均勻分布。檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表1。平面位置中誤差為0.071m，最大誤差為0.158m;高程中誤差為0.069m，最大誤差為0.129m。小于2 倍中誤差的檢查點(diǎn)有10 個(gè)，小于1 倍中誤差的檢查點(diǎn)有56 個(gè)。
表2、表3 分別為GB/T 23236-2009 《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》、GB/T 14912-2005《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》關(guān)于1：500 比例尺的精度要求。對比表1 和表2、表3，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。
表1 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表
1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖的工程應(yīng)用
經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，利用本技術(shù)方案實(shí)際應(yīng)用于廣安市溪口鎮(zhèn)1∶500 地形圖測繪。測區(qū)位于山谷地帶，面積2km2，中央地形較平，為丘陵地形，四周屬于山地地形，利用本技術(shù)方案完成了航飛、POS 解算、空中三角測量、內(nèi)業(yè)立體測圖。精度檢測時(shí)隨機(jī)抽取4幅圖進(jìn)行精度檢測，檢查點(diǎn)共84 個(gè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，平面中誤差±0.09m，高程中誤差±0.08m，平面及高程精度均滿足相關(guān)規(guī)范要求。
結(jié)束語
在當(dāng)前差分GPS 技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、相機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步的過程中，通過科學(xué)的優(yōu)化技術(shù)路線，1∶500無人機(jī)航測法高精度成圖試驗(yàn)成功并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，完成了業(yè)內(nèi)追求多年的夙愿，順利實(shí)現(xiàn)1∶500 地形圖測繪工期縮短、成本降低的目標(biāo)。雖然因植被覆蓋無法看見的地物測量、房檐改正等工作，仍需要野外實(shí)地測量，航測法成圖不能完全代替野外作業(yè)，但這并不能影響1∶500 無人機(jī)航測法高精度成圖在實(shí)際工程應(yīng)用中的重要現(xiàn)實(shí)意義。
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